[发明专利]一种水平井管内砾石充填完井工艺

说明书

技术领域

本发明涉及一种水平井管内砾石充填完井工艺。

背景技术

国外从20世纪80年代初就开始了大斜度井、水平井砾石充填防砂的试验研究工作。为了提高大斜度井及水平井的砾石充填效果，国外各大公司和大学建立了水平井砾石充填试验模型来模拟充填过程，对水平井砾石充填进行研究。美国的Chevron公司使用45英尺和100英尺的全尺寸的砾石充填物理模型，模拟研究了高倾角的斜井(大于60°)砾石充填过程，通过试验得到，携砂液的粘度是导致不完全充填的主要因素，特别是在筛管的接头处。在试验中还发现，使用低粘度的携砂液如水或新开发携砂液，充填过程分两步进行，充填效果最好。并通过试验数据回归得到计算砾石充填长度公式。通过在100英尺的模型中进行验证，充填率由原来的83％增加到97％，充填效果显著增加。但是，此研究主要是建立在室内模拟试验的基础上，得到的结果具有一定的参考价值，砾石充填长度计算公式只在某种特定的条件下适用，具有片面性；Marathon公司通过在Giant Beaver和Santa Clara油田的两口高斜井(倾斜度分别为87°和84°)进行裸眼砾石充填，采用降低携砂液粘度、低的砂比(3-5ppg)和增大充填排量，并使用井下充填工具进行充填，得到了很好的充填效果。英国Heriot-Watt大学在综合试验测试的基础上，发现环空砾石充填效果取决于很多施工参数，除携砂液的粘度、砾石尺寸及携砂液的滤失速度影响，井斜角、射孔相位和井身结构特征对砾石充填效果也有影响，并根据筛套环空和冲筛环空压力梯度相等，提出了砾石充填的预测数学模型。还有Halliburton、Baker-Hughes、Dowell Schlumberger等公司都先后建立了大型尺寸斜井、水平井砾石充填模拟试验装置，开展水平井砾石充填机理试验研究，并建立水平井砾石充填数学模型，进行水平井砾石充填数值模拟、参数优选和防砂效果预测等研究，取得一些成果。

最早的斜井砾石充填模型由Exxon油田开发研究所的Gruesbeck在1979年提出，模型用透明的有机玻璃管模拟井筒，模型的套管内径为3英寸，筛管外径为1.9英寸，冲管外径为0.5英寸，井筒长度为10英尺，井筒可以改变方向，这样可以方便的模拟斜井或水平井砾石充填情况。他根据室内模拟试验观测到的充填过程中首先从环空底部开始沉积的现象并提出“平衡堤”的概念，在倾斜度小于45°或直井内，砾石在携砂液的携带下在本身的重力作用下，向下运动，先充填井筒底部，再逐步向上充填，直至掩埋整个筛管；当井筒倾斜角大于45°或水平时，砾石充填过程很复杂，砂浆到达需要充填的井筒段时，由于流通面积的增大和携砂液的滤失，砂浆流速降低，砾石在管柱底部沉积，形成砂丘，上部砂浆的流动面积减少，流速增大，携砂液的携带能力增强。当砂丘增加到一定高度，流速达到平衡流速，砾石不再沉降，而是砂丘上部向前移动，使砂丘长度逐渐增加，而砂丘高度不再增加，形成稳定的“平衡堤”。Gruesbeck还通过试验分析了“平衡堤”的高度与流体的粘度、砾石浓度及流速有关，并根据筛套环空和冲筛环空压力梯度相等的原则，建立了斜井在完全充填情况下的数学模型，并通过大尺寸的模型加以验证。Gruesbeck的数学模型描述的仅是完全充填的情况，不能用于提前堵塞的情况；另外，该模型与时间无关，不能模拟砾石充填过程，只是分析模型。

1984年英国Heriot-watt大学石油工程系的Peden博士等人扩展了“平衡堤”理论。根据试验模拟结果利用无因次分析和线性回归方法得到了预测环空及井筒周围三个不同方向炮眼砾石充填率的半经验公式，将这些公式与Gruesbeck的分析模型相结合，开发了对话式的软件程序包-GRAVLEPACK。Penden的数学模型及软件包采用了大量的试验结果统计得到的经验公式，其计算的准确性很大程度上依赖于试验数据和实际条件的代表性，计算结果很不稳定。1990年SPE年会上，Forrest发表了水平井砾石充填的模拟试验报告。他在总结斜井试验的基础上，对水平井砾石充填进行模拟。模型有两种长度，主要研究防止形成砂桥的方法，特别对携砂液的性能进行了研究，认为高粘度的携砂液携砂能力强，充填距离长，排水能力弱，

砾石到达指定的位置后不易沉降，可能造成不完全充填；而低粘度的携砂液，充填距离短，砾石沉积快，充填容易提前堵塞。因此他提出了先用高粘度携砂液，后用低粘度的携砂液两步充填法。Gurlay等人分析了各种影响砾石桥堵的因素，给出了较合理的携砂液的携砂长度计算方法，认为解决砂桥的形成可以通过在有效携砂长度范围内，减少携砂液粘度或降低砾石的密度，适当降低砂浆浓度。